肖召輝，李 林

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.三一重工，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

汽車起重機(jī)作為工程機(jī)械中廣泛使用的一種起重設(shè)備，因其靈活的使用工況和快速轉(zhuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn)受到吊裝市場(chǎng)的歡迎。轉(zhuǎn)臺(tái)作為汽車起重機(jī)吊載時(shí)的直接承載構(gòu)件，是汽車起重機(jī)核心鋼構(gòu)件之一，因其焊接結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性及較大的焊接工作量，焊接變形的控制成為轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)制造過程中的難題[1]。

如何高效地控制轉(zhuǎn)臺(tái)焊接變形的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，徐工集團(tuán)及森源重工在產(chǎn)品試制階段積累了大量關(guān)于反變形的工藝數(shù)據(jù)[2]，通過多次的工藝試驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)精度達(dá)標(biāo)，但同時(shí)也增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期及人力物力成本。

隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，焊接仿真逐漸成為一種新的手段。Fang 等[3]以起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)底板為對(duì)象進(jìn)行了有限元模擬，通過對(duì)底板進(jìn)行剛性固定，可以很好的預(yù)測(cè)焊接變形，通過模擬與試驗(yàn)對(duì)比，變形分布于實(shí)測(cè)結(jié)果一致，誤差在6%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元分析的可行性。

本項(xiàng)目采用焊接仿真專業(yè)軟件Simufact Welding對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)整體的焊接工藝進(jìn)行仿真驗(yàn)算并提出優(yōu)化方案。

1 焊接結(jié)構(gòu)

某型號(hào)汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)長(zhǎng)3070 mm，寬1600 mm，高2150 mm，其由兩塊側(cè)立板、一塊大底板、一塊斜底板及若干連接板通過焊接方式連接而成，轉(zhuǎn)臺(tái)為典型的非對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)件，存在焊接工作量大、焊接易變形等問題。

轉(zhuǎn)臺(tái)母材材質(zhì)為Q460 低合金高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。在使用過程中能滿足某噸位汽車起重機(jī)使用的工況要求。Q460 鋼含碳量低，淬硬傾向小，在室溫下焊接產(chǎn)生裂紋傾向性低，具有良好的焊接性能。

表1 Q460 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）和力學(xué)性能

2 建立有限元模型

2.1 確定熱源模型及其參數(shù)

在焊接數(shù)值模擬計(jì)算中，焊接熱源模型對(duì)于計(jì)算的精度有很大的影響，因此，確定合理的熱源模型及其參數(shù)至關(guān)重要。焊接熱源模型需要根據(jù)焊接方式、焊接速度、焊縫形式、母材厚度等因素來確定，文中轉(zhuǎn)臺(tái)連接焊縫多為坡口角焊縫，制造過程中采用的焊接方式為CO2氣體保護(hù)焊，針對(duì)CO2氣體保護(hù)焊的數(shù)值模擬，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多研究。

目前，高斯分布熱源模型和雙橢球熱源模型是常用的兩種熱源模型。在焊接仿真計(jì)算時(shí)，高斯模型對(duì)于平面高能束焊接有著很好的計(jì)算精度，而對(duì)于坡口角焊縫的焊接方法，采用雙橢球熱源模型更為合適，因此本文選用雙橢球模型進(jìn)行計(jì)算[4-5]。圖2 為雙橢球熱源模型示意圖，模型沿X軸分成前后兩個(gè)部分，前后橢球長(zhǎng)度不同，更好的模擬熱源在焊接過程中前端和后端溫度梯度的不同。模型沿X軸前半部的熱源模型分布表達(dá)式為：

圖2 雙橢球熱源模型

后半部橢球的熱源模型分布表達(dá)式為：

其中，f1和f2分別為前后半橢球的能量分布系數(shù)，且f1+f2= 2；a1，a2，b，c為定義橢球熱源形狀參數(shù)，Q為焊接熱輸入且Q=ηUI，文中焊接材料為實(shí)心焊絲，其中熱效率η取0.8。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)焊接經(jīng)驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

確定焊接熱源模型后，需對(duì)熱源模型進(jìn)行校核以確定模型參數(shù)，校核的方法是通過調(diào)整模型參數(shù)來比較模擬熔池與實(shí)際焊接熔池之間的關(guān)系，如圖3 所示，圖3（a）為熱源校核的焊縫熔池形狀，圖3（b）為實(shí)際焊縫斷面熔池輪廓。當(dāng)模擬得到的熔池形狀與試驗(yàn)觀測(cè)到的焊縫熔合線兩者相符時(shí)，此時(shí)的熱源參數(shù)將作為等效焊接熱源輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算中，文中得到的雙橢球模型參數(shù)見表3。

表3 雙橢球模型參數(shù)（mm）

圖3 熱源校核及焊縫斷面熔池輪廓

2.2 網(wǎng)格劃分及加載邊界條件

采用Croe 軟件建立轉(zhuǎn)臺(tái)幾何模型，由于模型尺寸較大，在六面體網(wǎng)格劃分過程中，通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化來提升數(shù)值計(jì)算的精確性及效率。在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接幾何模型進(jìn)行如下條件設(shè)定：（1）工藝支撐：增加4個(gè)工藝支撐，其中2 個(gè)位于左右立板間，2 個(gè)位于上下絞點(diǎn)支板處；（2）定位夾具：轉(zhuǎn)臺(tái)大底板增加4 個(gè)定位夾具，夾具夾緊力設(shè)定為300 N；（3）焊接順序：采用先立板外側(cè)再內(nèi)側(cè)的焊接順序。有限元焊接模型如圖4 所示，總共包含214078 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 網(wǎng)格劃分及邊界條件定義

3 模擬結(jié)果分析

在焊接過程中，隨著熱源的局部加熱作用，焊件的溫度在時(shí)間與空間上發(fā)生了復(fù)雜變化，同時(shí)由于焊件結(jié)構(gòu)與工藝的影響，最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)整體發(fā)生各種變形。由于轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，焊縫主要集中在大底板上側(cè)，底板應(yīng)用夾具進(jìn)行了剛性固定，因此轉(zhuǎn)臺(tái)主要變形的位置是兩側(cè)立板，變形的趨勢(shì)是沿著兩側(cè)立板從下至上逐漸加大。經(jīng)仿真計(jì)算，轉(zhuǎn)臺(tái)焊接結(jié)束冷卻后總變形量分布情況如圖5 所示。從結(jié)果看出，轉(zhuǎn)臺(tái)焊后最大變形量為7.14 mm，主要發(fā)生在兩側(cè)立板的上端，與轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際焊接過程中變形趨勢(shì)一致。

圖5 總體焊接變形量分布

4 優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)果，制定了控制立板上端變形的優(yōu)化方案，主要從兩方面展開：（1）優(yōu)化焊接順序；（2）調(diào)整立板反變形量。

4.1 優(yōu)化焊接順序

轉(zhuǎn)臺(tái)焊縫主要布置在兩立板外側(cè)及中間位置，先前的焊接順序是先焊接左側(cè)立板焊縫，再焊接右側(cè)立板焊縫，最后焊接中間焊縫的順序，如圖6（a）所示。優(yōu)化后的焊接順序改為先內(nèi)側(cè)焊縫，再焊接左側(cè)焊縫，最后焊接右側(cè)焊縫的順序，如圖6（b）所示。

圖6 焊接順序

4.2 優(yōu)化反變形量

對(duì)左右立板增加反變形量，經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)左右立板反變形量為[+2 mm，-4 mm]時(shí)，焊接變形得到顯著控制，立板的反變形量如圖7 所示。通過優(yōu)化焊接順序及增加反變形量，對(duì)模型重新進(jìn)行仿真分析，焊接結(jié)束冷卻后轉(zhuǎn)臺(tái)的總變形分布情況如圖8 所示，可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)焊后最大變形量為4.43 mm，較優(yōu)化前7.14 mm 降低2.71 mm，降低38%。

圖7 增加反變形量

圖8 優(yōu)化后總體焊接變形量分布

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，現(xiàn)場(chǎng)采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行焊接驗(yàn)證，如圖9 所示。采用的焊接工藝要求為：（1）焊接電流270 A，焊接電壓29 V，焊接速度27 cm/min；（2）左右立板分別預(yù)留+2 mm、-4 mm 的反變形量；（3）先內(nèi)側(cè)焊縫后外側(cè)焊縫的焊接順序。焊接完后，對(duì)工件的焊接變形進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)臺(tái)的最大變形量為4.5 mm，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算的結(jié)果基本相近，驗(yàn)證了模擬的有效性。

圖9 優(yōu)化后的方案現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

6 結(jié)論

（1）通過有限元計(jì)算與對(duì)策，轉(zhuǎn)臺(tái)整體焊接變形量由對(duì)策前的7.14 mm 降低至對(duì)策后的4.43 mm。

（2）采用對(duì)策后的工藝條件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相近，驗(yàn)證了模擬的有效性。

（3）采用仿真技術(shù)控制轉(zhuǎn)臺(tái)焊接變形，可大幅減少產(chǎn)品的試制周期和成本，對(duì)同行具有很強(qiáng)的參考意義。